벌레가 먹어서 분해하는 전자소자 개발…“전자 폐기물 걱정 끝!”

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세줄 요약

• GIST·인하대, 벌레 분해형 전자소자 개발
• 점토 광물·전도성 고분자 결합, 성능 확보
• 슈퍼웜 실험서 소자 전체 실제 분해 확인

최근 환경 모니터링과 바이오센서 기술 발전으로 다양한 장소에서 데이터를 실시간으로 수집하는 저비용 센서 수요가 늘고 있지만 사용 후 회수가 쉽지 않아 전자폐기물로 남는 경우가 많다. 국내 연구진이 이런 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발해 눈길을 끈다.

OECT 소자의 벌레 섭취 과정. 완쪽은 사용이 끝난 OECT를 벌레의 먹이로 제공한 모습. 오른쪽은 섭취 후 1일, 4일, 5일이 경과함에 따라 점차 감소하는 소자의 모습과 소자 섭취 후 배설된 배설물의 모습이다.

GIST 제공

광주과학기술원(GIST) 신소재공학과, 인하대 화학공학과 공동 연구팀이 사용 후 벌레가 먹어서 분해할 수 있는 친환경 전자소자를 개발했다고 6일 밝혔다. 이 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 고분자 과학 분야 국제 학술지 ‘ACS 고분자 과학기술’에 실렸다.

연구팀은 바이오센서와 환경센서에 활용되는 소자인 ‘유기 전기화학 트랜지스터’(OECT)에 주목했다. OECT는 전해질 내 이온과 전도성 고분자의 상호작용을 이용해 전기신호를 증폭하는 소자로 인쇄공정을 이용하기 때문에 대량 생산에 유리하지만 사용 후 폐기가 숙제로 남아 있다.

이에 연구팀은 벌레가 섭취할 수 있는 점토 광물인 몬모릴로나이트(MMT)에 관심을 가졌다. 문제는 점토의 전기 전도성이 낮아 소자에 적용할 경우 성능 저하가 우려된다는 점이다. 연구팀은 OECT에 널리 사용되는 전도성 고분자 재료와 MMT를 결합해 분해 가능성과 전기적 성능을 모두 갖춘 복합 소재를 개발했다.

또 종이 기판 기반 인쇄공정을 적용하고 수분에 약한 종이의 단점을 보완하는 방수·보강 기술도 구현했다. 이렇게 개발된 복합 소재로 실제 OECT를 제작했고 낮은 전압에서도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 연구팀은 실제로 벌레가 소자를 분해할 수 있는지 확인하기 위해 슈퍼웜으로 실험했다.

연구 결과 실험 기간 동안 슈퍼웜의 생존율은 95% 수준으로 유지됐으며, 슈퍼웜은 활성층, 기판, 전극 등을 포함한 가로, 세로 각 3㎝ 크기의 소자 전체를 약 1주일 만에 완전히 섭취했다. 슈퍼웜의 배설물 분석 결과 단순히 잘게 부서진 것이 아니라 화학적 변화를 동반하는 실제 분해가 진행된 것이 확인됐다. 이번 연구 결과는 환경 모니터링 센서, 헬스케어 센서, 스마트 농업용 센서 등 사용 후 회수가 어려운 분야에 적용돼 전자폐기물 문제를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

윤명한 GIST 신소재공학과 교수는 “기존 연구가 분해 가능한 개별 소재 개발에 집중됐다면 이번 연구는 친환경 소재를 사용한 실제 작동 소자 전체가 벌레에 의해 분해될 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 지속 가능한 전자소자 개발과 친환경 전자기기 연구에 새로운 방향을 제시할 것으로 보인다”고 설명했다.

유용하 과학전문기자